1、毕 业 设 计 正 文 第 0 页哈尔滨职业技术学院印制摘 要本文是设计数控机床上下料机械手，通过查阅相关资料以及对本专业知识的学习和应用，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种数控机床上下料机械手。针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了设计。具体进行了机械手的总体设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。基于 PLC 对机械手的控制系统进行了设计，基本达到了预期的设计目的关键词:机械手； PLC；液压伺服定位；电
2、液系统毕 业 设 计 正 文 第 0 页哈尔滨职业技术学院印制目 录绪 论 .1一、机械手的发展概况 .2（一）工业机械手的国内外发展历史和现状 .2（二）PLC 控制技术在国内外的发展概况 .3（三）课题的提出及主要任务 .5（四）机械手在数控机床的应用 .6二、机械手的总体设计方案 .7（一）上下料机械手的工作原理 .7（二）机械手的组成 .7三、机械手执行机构的设计 .11（一）机械手的运动概述 .11（二）执行机构主要部分的设计 .11（三）手臂结构的设计 .12（四）执行机构的工作流程 .13四、机械手的驱动系统设计 .15（一）机械手驱动系统的控制设计 .15（二）气动元件选取及工
3、作原理 .16五、机械手控制系统的设计 .18（一）控制系统的性能要求 .18（二）控制系统 PLC 的选型及控制原理设计 .18（三）PLC 程序设计 .23结 论 .27参考文献 .28致 谢 .29毕 业 设 计 正 文 第 0 页哈尔滨职业技术学院印制绪 论工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、课重复编程/能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自
4、动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、抵压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛地引用毕 业 设 计 正 文 第 1 页哈尔滨职业技术学院印制一、机械手的发展概况（一）工业机械手的国内外发展历史和现状机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人
5、的手足和大脑功能，它可以代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB 及奥地利的工 GM 公司。我国机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致
6、经历了 3 个阶段：70 年代萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府无比会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。毕 业 设 计 正
7、 文 第 2 页哈尔滨职业技术学院印制在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会是机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。目前，我国工业机械手的发展主要是逐步扩大其应用范围在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手，计算机控制机械手和组合式机械手等将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构、设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要
8、求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围。（二）PLC 控制技术在国内外的发展概况自二十世界六十年代美国推出可编程逻辑控制器 PLC 取代传统继电器控制装置以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车
9、、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业、同时，计算机监控系统是采用集中监测、集中控制、集中显示、集中管理、集中保存的系统，毕 业 设 计 正 文 第 3 页哈尔滨职业技术学院印制融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，广泛地应用在化工、供暖、机械、供水、水处理等多个领域。在工业生产中发挥越来越显著的作用。可编程控制器的发展也电视更加适用于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型集合超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用
10、可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、腰肢和生产时伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的告诉发展和基础自动化水平的
11、不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。特别在那些对实时性要求高，对成本努不发表，对尺寸敏感的场合，嵌入式 PLC 大有可为。PLC控制在国内将会有一个广阔的发展前景、随着 PLC 技术的推广和应用，PLC 将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展。PLC 向大型化方向发展，主要表现在大中型 PLC 向多功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成按制系统，对大规模、毕 业 设 计 正 文 第 4 页哈尔滨职业技术学院印制复杂系统进行综合的自动控制。PLC 向小型化方向发展，主要变现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向
12、高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高。另外，PKC 在软件方面也将有较大的发展。系统的开放使第三方的软件能方便的在符合开放系统标准的 PLC 上得到移植。除了采用标准化的硬件外，采用标准化的软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提高。总之，PLC 的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、容量大、体积小、成本低、通信联网功能强。（三）课题的提出及主要任务1.课题的提出随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可
13、以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，注塑及其的生产过程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既费时又费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。2.课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下：机械手为上下料机械手设计出机械手的各执行机构，包括：手部、手臂等部件的设计。手毕 业 设 计 正 文 第 5 页哈尔滨职业技术学院印制部设计成夹持式手指来抓取工件，为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件。（1）气压传动系统的设计，本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。（2）
14、人机交互界面的设计（3）机械手的控制系统的设计，本机械手拟采用 PLC 对机械手进行控制，本课题将要选取 PLC 型号，根据机械手的工作流程编织出 PLC程序。（四）机械手在数控机床的应用因现在科技的发展和进步，许多的危险性和有害性的工作都由机器人取代了人工。所以机械手的诞生受到了市场很大的需求，机械手在各类机床上的应用广泛。可以用于夹持工件，搬运运输等工作。毕 业 设 计 正 文 第 6 页哈尔滨职业技术学院印制二、机械手的总体设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确的搬运工见，这就要求他们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位等特性
15、。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件。本次设计的机械手是专用气动上下料机械手，专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。（一）上下料机械手的工作原理机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 PLC 程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈
16、给控制系统，并与设定的位置相比较，然后通过系统进行调整，从而使执行机构以一定的要求达到设定位置。（二）机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如图 2-1 所示。毕 业 设 计 正 文 第 7 页哈尔滨职业技术学院印制控制系统 驱动系统 执行系统 被抓取工件位置检测装置图 2-11.执行机构包括手部、手臂和立柱、机座等不件，有的还增设行走机构。（1）手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式。而在本课题中则选用夹持式手部结构。夹持式手部由手爪和传力机构所构成。手爪是与物件直接接触的构件，常用的手爪运动形式有回转型和平移型。回转型手爪结构相对简单，制造也比较容易，故应用广泛。平移型应用的比较少，其原因是平移型手爪结构相对复杂，但平移型手爪夹持圆形工件时，工件直径变化不影响其轴心位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手爪结构取决于被抓物件表面的形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手爪产生夹紧力来完成夹放物件的任务。（2）手臂
